BME Közlekedésmérnöki Kar Műszaki kémia jegyzet

BME

Közlekedésmérnöki Kar Műszaki kémia jegyzet

I. kötet

Energiahordozók

Összeállította:

dr. Szabó Mihály

Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

2019. ősz

Irodalom:

Vajta-Szebényi-Czencz: Általános kémiai technológia, Nemzeti Tankönyvkiadó, 1999 Bajnóczy-Szebényi: Műszaki kémia, Műegyetemi Kiadó, 2001

Hancsók: Korszerű motor- és sugárhajtómű üzemanyagok I. Motorbenzinek, Veszprémi Egyetemi Kiadó, 1997

Hancsók: Korszerű motor- és sugárhajtómű üzemanyagok II. Dízel üzemanyagok, Veszprémi Egyetemi Kiadó, 1997

Ulmann: Encyclopedia of Technical Chemistry

Tartalomjegyzék:

1. Energiahordozók ... 2

1.1. Az energiatermelés és felhasználás ... 2

1.2. Fosszilis energiahordozók, tüzeléstechnika ... 3

1.2.1. Tüzeléstechnikai alapfogalmak ... 3

1.2.2. A kőszén ... 17

1.2.3. A kőolaj és földgáz, mint tüzelőanyag ... 22

1.2.4. Motorhajtóanyagok ... 27

1.3. Atomenergia ... 47

1.3.1. Az atommag ... 47

1.3.2. Az atommag kötési energiája és stabilitása ... 48

1.3.3. A maghasadás ... 49

1.3.4. Hasadóanyagok ... 50

1.3.5. Atomreaktorok és atomerőművek ... 51

1.3.6. A nukleáris üzemanyagciklus ... 53

1.3.7. Fúzió ... 54

1.4. Alternatív energiahordozók ... 55

1.4.1. Az alternatív energiahordozók általános jellemzése ... 55

1.4.2. Alternatív motorhajtó anyagok ... 57

1. Energiahordozók

1.1. Az energiatermelés és felhasználás

Az emberiség számára a természetben három lehetséges energiaforrás hasznosítható:

- a fúzió - a fisszió - a gravitáció

A fúzió és a fisszió energetikai magyarázata, hogy az atommagok egy nukleonra¹ eső kötési energiája a tömegszám függvényében a 60-70 tömegszám tartományban maximumot mutat (ld. 1.3.1. ábra). Az atommagok kötési energiájának hasznosítása olyan magátalakulással lehetséges, amelynek során a fajlagos kötési energia nő. Elvileg két lehetőség kínálkozik erre, a kisebb magok egyesítése, a fúzió, vagy a nagyobbak hasítása, a fisszió. A gravitáció energetikai magyarázata a testek tömegvonzása.

A fúzió, a könnyű elemek egyesülése a Napban is végbemegy, ez a Nap sugárzásának forrása. A napenergia közvetlenül is hasznosítható az emberiség számára, de egyéb energiahordozók is a napenergiából származnak. Így a Nap sugárzása mechanikai munkát végez a földi gravitáció ellenében, ez az oka a hidroszféra és az atmoszféra mozgásának, s ez a mozgás, mint víz- és szélenergia hasznosítható. A napsugárzás hatására kémiai átalakulás, fotoszintézis megy végbe a növényekben. A növények kémiai kötéseiben tárolt energia közvetlenül is hasznosítható (biomassza), de a táplálékláncon keresztül az állatvilágnak is energiaforrása, és ezen élőlények évmilliókkal ezelőtt elhalt, föld alá süllyedt és különböző átalakulási folyamatok eredményeként keletkezett „megkövesült, eltemetett”

(fosszilis) maradványai a földkéregben levő kőszén, kőolaj, földgáz. A fosszilis energiahordozók tehát évmilliós nagyságrendben a napenergia raktárai. A fúzió földi körülmények közötti megvalósítására, és hasznosítására, a fúziós erőmű megépítésére jelentős nemzetközi együttműködés mellett folynak kísérletek, de a megoldásra még évtizedeket kell várni.

A fisszió, a földkéregben található nehéz elemek hasadása végbemehet önként a természetben, ez adja a természetes radioaktív bomlást, amely a geotermális energia egyik forrása, vagy előidézhető mesterségesen. Ez utóbbit nevezik ma az atomenergia hasznosításának.

A gravitáció az oka a tengerek ár-apály mozgásának, ez hasznosítható az ár-apály erőművekben.

Megújulónak nevezzük az energiaforrást, ha az egy emberöltőnyi idő alatt keletkezett és felhasznált mennyiség különbsége nem negatív. Ebbe a kategóriába sorolható

- a közvetlen napsugárzás, - a víz- és szélenergia, - az ár-apály energia, - a geotermális energia, - a biomassza hasznosítása.

Nem megújuló energiaforrások - a fosszilis energiahordozók, - a hasadó anyagok,

- a fúzióra alkalmas atomok, pl. a hidrogén, bár a készlete gyakorlatilag kimeríthetetlen.

A primer energiahordozókat közvetlenül hasznosítjuk, a szekunder energiahordozókat előzetesen átalakítjuk. Primer energiahordozó szigorú értelemben tulajdonképpen alig van, mert szinte mindig valamilyen átalakító művelet előzi meg a hasznosítást. Ide sorolható a napenergia hasznosítása az épületek fűtésének csökkentése érdekében (szoláris építészet), vagy a biomassza (pl. tűzifa) elégetése,

1

de általában ez utóbbit is megelőzi egy szárítás. Szekunder energiahordozónak tekintjük a villamos energiát, a hőszolgáltatás energiahordozó közegeit, az energiatárolókat.

A világ energiafogyasztása az elmúlt 50 évben mintegy ötszörösére növekedett. A fosszilis energiahordozók adják ma is a világ energiatermelésének mintegy 80 %-át. Az utóbbi években a kőszén aránya jelentősen csökkent, a földgázé jelentősen növekedett.

A fosszilis energiahordozókból rendelkezésre álló készletekről többféle becslés is napvilágot látott már. A szénhidrogének készletei tíz években mérhető, (a kőolajé mintegy 50 év, a földgázé kb. 80-100 év) a kőszéné száz években mérhető időtartamra elegendőek.

1.2. Fosszilis energiahordozók, tüzeléstechnika

Az energiatermelésben, az iparban és a közlekedésben a szükséges hőt leggyakrabban fosszilis energiahordozók (kőszén, kőolaj-származékok, földgáz) elégetése során lejátszódó exoterm reakciók segítségével állítják elő, amelyekben az égést tápláló közeg szinte mindig levegő.

A fosszilis energiahordozók felhasználási tulajdonságainak, előállításának tárgyalása előtt ezért tekintsük át a tüzeléstechnika alapfogalmait.

1.2.1. Tüzeléstechnikai alapfogalmak

Tüzeléstechnikai szempontból, a tüzelőanyagok felhasználhatóságának megítélésekor lényeges szempont a halmazállapot és az elégetéskor belőlük felszabaduló hőmennyiség.

Az égési reakció hőtechnikai paraméterei

A tüzelés alkalmával kérdés lehet az, hogy mekkora hőmennyiséget szabadíthatunk fel, ill. mekkora hőmérsékletet tudunk elérni. A tüzelőanyagokból felszabadítható hőmennyiség kizárólag a tüzelőanyag függvénye, az elérhető hőmérséklet azonban nagymértékben függ attól is, hogy a tüzelést milyen körülmények között végezzük.

Égéshő és fűtőérték

A tüzelőanyagok ipari felhasználhatóságát a felszabadítható kémiai energia hőegyenértéke, azaz a felszabaduló hő mennyisége határozza meg. Az égés során felszabaduló hőmennyiséget égéshőnek nevezik és értékét 1 kg szilárd vagy cseppfolyós, illetve 1 Nm³ gázhalmazállapotú tüzelőanyagra vonatkoztatva adják meg. (Nm³ jelöli a normál állapotú, azaz 0 °C hőmérsékletű és 101,325 kPa nyomású gáz térfogatát.)

Az égéshő az a hőmennyiség, amely a tüzelőanyag tömeg-, illetve térfogategységének tökéletes elégésekor szabadul fel abban az esetben, ha:

a) a tüzelőanyag és a levegő hőmérséklete az elégés előtt és az égéstermékek hőmérséklete az elégés után egyaránt 20 °C,

b) a tüzelőanyag szén- és kéntartalma szén-dioxid, illetve kén-dioxid alakjában van jelen az égéstermékekben,

c) a tüzelőanyag és a levegő eredeti nedvességtartalma, valamint a hidrogéntartalom elégéséből keletkezett víz az elégés után cseppfolyós halmazállapotban van jelen.

A gyakorlatban inkább a fűtőérték fogalmát használják, amely az égéshőtől abban különbözik, hogy az égéstermékek víztartalma az égés után nem cseppfolyós, hanem gőz halmazállapotban van jelen, azaz az égéstermék hűlésekor nem adja le a párolgáshőt. A fűtőérték tehát kisebb, vagy egyenlő az égéshővel.

(Akkor egyenlő, ha az égéstermékben nincs víz.) Ipari tüzelések során nem lehet az elméletileg felszabaduló összes hőmennyiséget — az égéshőt — hasznosítani, mivel számos tényező veszteséget okoz. A legnagyobb mértékű veszteség azért következik be, mert az égésterméket nem lehet 20 °C-ra lehűteni, a keletkező füstgázok 100 °C -nál is melegebben távoznak a tüzelőberendezésből és így a vizet

gőz alakban tartalmazzák. A víz párolgáshője igen nagy, (Lp = 2500 kJ/kg 0 °C -on és 101,325 kPa nyomáson), ezért a gyakorlatban a tüzelés hatásfokának számításakor viszonyítási alapként a fűtőértéket használják.

Más elnevezés szerint az égéshőt felső fűtőértéknek, a fűtőértéket alsó fűtőértéknek is nevezik.

Az égéshő meghatározása méréssel

Az égéshőt a gyakorlatban méréssel határozzák meg. A szilárd és cseppfolyós halmazállapotú tüzelőanyagok égéshőjének mérésére bombakalorimétert használnak Ez saválló acélból készült, mintegy 300 cm³ térfogatú nyomásálló hengeres edény (bomba), amelyben a tüzelőanyagot 3 MPa nyomású oxigénben elektromos izzószállal meggyújtják és elégetik. A bomba vizes termosztátban van, az égéskor képződő hőt a termosztát vizének adja át. Ismerve a hőkapacitást, mérve a víz hőmérséklet- növekedését, számítható az égéshő.

Gázok égéshőjét legelterjedtebben a Junkers-féle gázkaloriméterben határozzák meg. A kaloriméter 100 %-os hatásfokkal működő vízmelegítőnek tekinthető. A meghatározás elve, hogy a kaloriméterben ismert nyomású, hőmérsékletű és térfogatú (azaz ismert mennyiségű) gázt égetnek el folyamatosan. A fejlődött hőt az égőt körülvevő vízcsöves hőcserélőben áramló víz veszi át. A gáz és víz mennyiségét, a beáramló és elfolyó víz hőmérséklete közötti különbséget mérik, s a mérési eredményekből számítják az égéshőt.

A fűtőérték számítása

A fűtőérték kiszámításakor az égéshőből le kell vonnunk az égéstermékben lévő víz le nem kondenzálódása miatt fel nem szabadult hőt. Víz egyrészt már eleve lehet (nedvességként) a tüzelőanyagban, másrészt pedig a hidrogéntartalom elégésekor keletkezik. A víz molekulatömege 18, egy molnyi víz 2 gramm hidrogénből és 16 gramm oxigénből áll, tehát 1 gramm hidrogén elégetése 9 gramm vizet eredményez. A tüzelőanyag hidrogéntartalmát 9-cel szorozva megkapjuk azt a vízmennyiséget, amely a tüzelőanyag hidrogén-tartalmának elégetésekor keletkezik. Ehhez hozzáadva a tüzelőanyag eredeti nedvességtartalmát az égéstermékben levő összes vízmennyiséget kapjuk meg. Ha ezt szorozzuk a párolgáshővel, akkor megkapjuk a víz által elvitt hőmennyiséget és ezt levonva az égéshőből, a fűtőértékhez jutunk.

1 kg tüzelőanyagra felírva:

R É

F   ahol )

* 9 (

* _{H víz}

p m m

L

R  az ún. Regnault hő,

mH a tüzelőanyag hidrogén-tartalma kg/kg egységben, azaz tömegtörtben mvíz a tüzelőanyag víztartalma kg/kg egységben, azaz tömegtörtben Égési hőmérséklet

A tüzelés során kialakuló hőmérséklet a tüzelőanyag összetételétől és az égés körülményeitől függ.

Minden tüzelőanyagra jellemző az a maximális hőmérséklet, amely a tüzelőanyagnak elméleti levegőszükséglettel való elégetése során keletkezik abban az esetben, ha adiabatikus (hőelvonás vagy -hozzávezetés nélküli) körülményeket tételezünk fel, és nem vesszük tekintetbe a gyakorlatban fellépő veszteségeket. Az így számított ún. elméleti lánghőmérséklet egyenesen arányos a tüzelőanyag fűtőértékével és fordítva a keletkező égéstermékek hőkapacitásával:

c C m c

m c m T F

n n



* ...

*

* _{1 2 2}

1

max    

ahol: F a tüzelőanyag fűtőértéke (kJ/kg vagy kJ/Nm³)

mi az 1 kg, ill. 1 Nm³ tüzelőanyag elégésekor keletkező i-edik égéstermék komponens tömege (kg/kg), ill. térfogata (Nm³ / Nm³)

ci az i-edik égéstermék komponens fajhője (kJ/kg*°C, ill. kJ/Nm³*°C).

A közölt képlet szerinti elméleti hőmérséklet a gyakorlatban nem érhető el. Mint majd látjuk, a tökéletes égés biztosítására több-kevesebb levegőfelesleget kell alkalmazni, ill. a cseppfolyós tüzelőanyagoknál gyakran külön porlasztó közeget (pl. gőzt) használnak a tüzelőanyag minél tökéletesebb eloszlatására. Ezáltal megnő az égéstermékek mennyisége, és így az általuk felvett hőmennyiség is. Emellett a vezetés és sugárzás révén is veszteség lép fel, hő távozik a környezetbe.

Szilárd tüzelőanyag használatakor nem lehet az összes éghető alkatrészt eltüzelni, hanem egy része elégtelenül a salakban marad, és így a fűtőértéknek megfelelő teljes hőmennyiség nem kapható meg.

Az elérhető maximális hőmérsékletet csökkentő tényezők között külön meg kell említeni az égéstermékek termikus disszociációját. Nagy hőmérsékleten a szén-dioxid és a víz elemeire disszociál.

A bomlás endoterm folyamat, ennek következtében az égéskor felszabaduló hőmennyiség egy része a disszociációra használódik fel. A termikus disszociáció folytán fellépő hőveszteség különösen nagy hőmérsékleten (2000 °C körül) jelentős, mert ekkor a disszociáció mértéke erősen megnövekszik.

A szén-dioxid és a víz termikus disszociációjának hőmérséklet-függése:

CO2→CO+0,5O2 H2O→H2+0,5O2

1300 °C 0,1% 1400°C 0,1%

1700 °C 0,2% 1800°C 1,0%

1800 °C 5,0% 2000°C 2,0%

2000 °C 10,0% 3000°C 22,5%

2200 °C 17,0%

Az elméleti hőmérséklet megközelítésében az égés sebességének is szerepe van. Minél gyorsabb ugyanis az égés, annál kevesebb a vezetés és a sugárzás okozta hőveszteség.

Adott tüzelőanyag használatakor a megadott képlet számlálója a tüzelőanyag és a levegő előmelegítésével növelhető. Ilyenkor a fűtőértékhez hozzá kell adni az előmelegített tüzelőanyag és levegő hőtartalmát. Előmelegítésre rendszerint a füstgázokat használják fel, amelyek így kisebb hőmérsékleten távoznak a tüzelőberendezésből, és ennek következtében a tüzelőanyag égéshőjét jobban megközelíthető hőmennyiség hasznosítható. A képlet nevezőjében a c értéke nem csökkenthető, m csökkentésére két lehetőség kínálkozik: a tüzelőanyag és a levegő lehető legtökéletesebb keveredésének biztosításával a szükséges levegőfelesleg csökkentése, vagy pedig az égéstermékek közül a levegő nitrogénjének részbeni vagy teljes kiküszöbölése. Ez utóbbi megvalósításának céljából a tüzelőanyagot oxigénben dúsított levegővel vagy oxigénnel égetik el.

Az elméleti levegőszükséglet, az elméletileg keletkező füstgáz mennyisége és összetétele A tüzelőanyag elemi összetételének ismeretében kiszámítható, hogy elméletileg mekkora tömegű, illetve térfogatú levegőre van szükség a tökéletes eltüzeléséhez (L_o), valamint mekkora az elméletileg keletkező száraz és nedves füstgáz térfogata (V_o^sz és V_oⁿ).

A tüzelőanyag konkrét kémiai összetétele (azaz, hogy milyen vegyületekből áll) általában nem ismert, de az elemi összetétel könnyen meghatározható. Az elemi összetétel ismerete azt jelenti, hogy tudjuk a tüzelőanyag 1 kg-jában levő szén atomok (karbon), hidrogén atomok, kén atomok és oxigén atomok összes tömegét. (Újra hangsúlyozzuk: a tüzelőanyag 1 kg-ja mC kg karbonból, mH kg hidrogénből, mS kg kénből és mO kg oxigénből áll, tehát mC, mH, mS és mO tömegtört, ezek összege 1.)

Az elméleti levegőszükséglet

A karbon, a hidrogén és a kén égéséhez szükséges oxigén. Ez az égést tápláló levegő oxigéntartalmából, és (ha a tüzelőanyag tartalmaz oxigént) részben magából a tüzelőanyagból származik. Figyelembe véve az atomi tömegeket (C=12, O=16, H=1 S=32), a tüzelőanyag 1 kg-jában

levő mC kg karbon, mH kg hidrogén és mS kg kén elégetéséhez szükséges oxigén tömege, illetve az égéstermékek tömege:

C + O2 = CO2 (1a)

12 kg 32 kg 44 kg

1 kg 32 / 12 kg 44 / 12 kg

mC kg (32 / 12) * mC kg (44 / 12) * mC kg

4 H + O2 = 2 H2O (2a)

4 kg 32 kg 2 * 18 kg

1 kg 32 / 4 kg 2 * 18 / 4 kg

mH kg (32 / 4) * mH kg (2 * 18 / 4) * mH kg

S + O2 = SO2 (3a)

32 kg 32 kg 64 kg

1 kg 32 / 32 kg 64 / 32 kg

mS kg (32 / 32) * mS kg (64 / 32) * mS kg A karbon, a hidrogén és a kén elégetéséhez szükséges oxigén együttes tömege:



  

32

* 32 4

* 32 12

*

32 m_C m_H m_S

kg

Ebből a tüzelőanyag már tartalmaz mO tömegű oxigént, így a levegőből szükséges oxigén tömege:

O H S

C

O m m m m

M 



  

 32

* 32 4

* 32 12

* 32

2 kg

A levegőből szükséges oxigén térfogatát az alábbi megfontolás alapján számíthatjuk ki:

Mivel 32 kg oxigén térfogata 22,41 Nm³, 1 kg oxigén térfogata 22,41 / 32 Nm³, emiatt

O2

M kg oxigén térfogata (22,41 / 32) *

O2

M Nm³, azaz a levegőből szükséges oxigén térfogata:



   

22,41* 12 4 32 32

2

O S H C O

m m m

V m Nm³ oxigén / kg tüzelőanyag.

Ugyanerre az eredményre jutunk, ha a fenti reakcióegyenletekben nem az oxigén tömegét, hanem a térfogatát szerepeltetjük:

C + O2 = CO2 (1b)

12 kg 22,41 Nm³ 22,41 Nm³

1 kg 22,41 / 12 Nm³ 22,41 / 12 Nm³

mC kg (22,41 / 12) * mC Nm³ (22,41 / 12) * mC Nm³

4 H + O2 = 2 H2O (2b)

4 kg 22,41 Nm³ 2 * 22,41 Nm³

1 kg 22,41 / 4 Nm³ 2 * 22,41 / 4 Nm³ mH kg (22,41 / 4) * mH Nm³ (2 * 22,41 / 4) * mH Nm³

S + O2 = SO2 (3b)

32 kg 22,41 Nm³ 22,41 Nm³

1 kg 22,41 / 32 Nm³ 22,41 / 32 Nm³

mS kg (22,41 / 32) * mS Nm³ (22,41 / 32) * mS Nm³

A tüzelőanyag oxigén tartalmának megfelelő oxigén térfogat:

Mivel 32 kg oxigén térfogata 22,41 Nm³, 1 kg oxigén térfogata 22,41 / 32 Nm³, emiatt mO kg oxigén térfogata (22,41 / 32) * mO Nm³.

A levegőből szükséges oxigén térfogata (az elméleti oxigénszükséglet) kiszámítható a karbon, a hidrogén és a kén égéséhez szükséges oxigén térfogata és a tüzelőanyag oxigén tartalmának megfelelő oxigén térfogat különbségeként:



   

22,41* 12 4 32 32

2

O S H C O

m m m

V m Nm³ oxigén / kg tüzelőanyag.

A tüzeléstechnikai számítások elegendő pontossággal végezhetők el, ha a levegőt 21 % oxigénből és 79 % nitrogénből álló gázelegynek tekintjük. Így az oxigénnel együtt az égéstérbe jutó nitrogén elméleti térfogata, az oxigén térfogatának 79/21-szerese:



   

 *22,41* 12 4 32 32 21

79

2

O S H C N

m m m

V m Nm³ nitrogén / kg tüzelőanyag.

A levegőszükséglet a kettő összege, összevonás után:



   





 *22,41* 12 4 32 32

21 100

2 2

O S H C N

O o

m m m V m

V

L Nm³ levegő / kg tüzelőanyag.

Az elméleti száraz füstgáz térfogata

Az elméleti száraz füstgázban a keletkező szén-dioxid és kén-dioxid, valamint a levegővel bevitt nitrogén található. A szén-dioxid ill. a kén-dioxid térfogata az (1b) ill. (3b) egyenletek alapján:

C

CO m

V *

12 41 , 22

2  Nm³ CO2 / kg tüzelőanyag

S

SO m

V *

32 41 , 22

2  Nm³ SO2 / kg tüzelőanyag

A szén-dioxid, a kén-dioxid és a levegővel bevitt nitrogén együttes térfogata összeadás és rendezés után:



   

 32

* 79 , 0 32 4

* 79 , 0

* 12 41 , 22 21 *

100 _{C H S O}

sz o

m m

m

V m Nm³ száraz füstgáz / kg tüzelőanyag.

Az elméleti nedves füstgáz térfogata

Az elméleti nedves füstgázban a száraz füstgáz komponensei mellett a keletkező vízgőz is megtalálható. A keletkező vízgőz térfogata a (2b) egyenlet alapján:

H O

H m

V *

4 41 , 22

* 2

2  Nm³ H2O / kg tüzelőanyag

Az elméleti nedves füstgáz térfogata összeadás és rendezés után:



   

 32

* 79 , 0 32 4

* 21 , 1

* 12 41 , 22 21 *

100 _{C H S O}

n o

m m

m

V m Nm³ nedves füstgáz / kg tüzelőanyag.

Amennyiben a tüzelőanyagnak is volt víztartalma, (ez motorhajtó anyagoknál gyakorlatilag nem fordulhat elő), az ebből keletkező vízgőz térfogata a fenti képlethez hozzáadandó. Ha a tüzelőanyagban (pl. kőszénben) a víz tömegtörtje mvíz,

mivel 1 kg vízgőz mólszáma 1 / 18 kmol,

1 kg vízgőz térfogata 22,41 *1 / 18 Ndm³, mvíz kg vízgőz térfogata mvíz * 22,41 * 1 / 18 Nm³. A füstgáz elméleti összetétele

Az elméletileg keletkező füstgáz összetétele kiszámítható a fenti képletek felhasználásával, ha az 1 kg tüzelőanyag elégetésekor keletkező gázok térfogatát osztjuk a füstgáz összes térfogatával. Pl. a keletkező füstgáz CO2 koncentrációja egyenlő a keletkező szén-dioxid térfogata (ld. fenn), osztva az elméleti nedves, vagy száraz füstgáztérfogattal. (Feladat: számítsuk ki az alábbi motorbenzin nedves kipufogógázában a szén-dioxid, a kén-dioxid, a vízgőz és a nitrogén elméleti koncentrációját.

mC = 0,83800, mH = 0,14000, mS = 0,00005, mO = 0,02195) A légfelesleg

A tüzelőberendezésekben sohasem lehet az elméleti levegőmennyiséggel tökéletes égést elérni.

Szilárd tüzelőanyagokhoz általában több, folyékony és gáz halmazállapotúakhoz kevesebb légfelesleget kell alkalmazni. A szükségesnél kisebb légfelesleg esetén az égés tökéletlen, vagyis az égéstermékekben elégetlen szén-monoxid, hidrogén, metán, korom lehet, amely — a légszennyezés mellett — jelentős energiaveszteséget okoz, mert nem szabadul fel a tüzelőanyag teljes égéshője. A gyakorlatban többnyire szén-monoxid marad a füstgázban a tökéletlen égés eredményeképpen. De csak a tökéletes égés biztosításához szükséges légfelesleggel kell tüzelni, mert ennél nagyobb légfelesleg esetén a füstgázzal melegen távozó levegőfelesleg által elvitt hőmennyiség lesz egyre nagyobb, ami nem gazdaságos, azaz a tüzelés hatásfoka a légfelesleg függvényében maximum-görbe szerint változik.

Az égéshez ténylegesen rendelkezésre álló, és az elméletileg szükséges levegőmennyiség viszonyát légfeleslegtényezőnek (n) nevezik. A légfeleslegtényező (n) jellemző a tüzelésre. Kifejezi, hogy mennyivel több levegőt adagoltak vagy kell adagolni az égéshez, mint amennyire az égés kémiai egyenletei szerint elméletileg szükség lenne. A szükséges légfelesleg mértéke a tüzelőanyagtól, a tüzelőberendezéstől és a tüzelési folyamat vezetésétől függ. A légfeleslegtényező néhány tájékoztató értékét az 1.2.1. táblázat tartalmazza. A legkorszerűbb olajtüzelő, valamint gáztüzelő berendezések 1,1- nél kisebb légfeleslegtényezővel működnek.

Tüzelőanyag és tüzelési mód Légfeleslegtényező Barnakőszén

Kézi tüzelés esetén 1,5-1,8

Szénportüzelés esetén 1,15-1,3

Olajtüzelés 1,1-1,2

Gáztüzelés 1,05-1,1

1.2.1. táblázat A légfeleslegtényező gyakorlati értékei.

Otto-motorok (ld. később) esetén léghiány is előfordulhat, itt a légfeleslegtényezővel azonos fogalom a légviszony (λ).

Lo

n  L ahol L az égéshez ténylegesen rendelkezésre álló levegő mennyisége, L_o az elméleti levegőszükséglet.

L és L_o mértékegysége megegyezik, mindkét levegő mennyiség (pl. térfogat vagy tömeg) vonatkozhat egységnyi mennyiségű tüzelőanyagra, vagy egységnyi időre, azaz lehet pl.

Nm³ levegő / kg tüzelőanyag, vagy Nm³ levegő / h, tehát n, ill. λ dimenzió-mentes viszonyszám. Az Otto-motorban λ  1 esetén légfelesleg (szegény keverék), λ  1 esetén léghiány (dús keverék) van a reakciótérben.

Légfelesleg alkalmazása esetén a füstgázban marad elreagálatlan oxigén, illetve a keletkező szén- dioxid koncentrációja (a felesleges levegő higító hatása miatt) lecsökken. Ezek alapján a gyakorlatban a légfeleslegtényező, illetve a légviszony értékét a száraz füstgáz oxigén-tartalmából, vagy szén-dioxid- tartalmából határozzák meg az alábbi megfontolások segítségével.

Nagy légfeleslegnél, ahol a tökéletlen égés miatti térfogatváltozás elhanyagolható, (a füstgáz maradék O2 koncentrációja legalább 2 %), az égéstérből (motorból) kilépő füstgáz (fg) maradék O2

koncentrációja egyenlő a légfeleslegből megmaradó oxigén térfogata osztva a teljes füstgáz térfogattal:





térfogat fg

száraz összes

O  V^O

A légfeleslegből megmaradó oxigén térfogata a levegőfelesleg 21 %-a, az összes száraz füstgáz térfogata pedig az elméletileg keletkező száraz füstgáz és a levegőfelesleg együttes térfogata.

1 kg tüzelőanyagra:



 ^ _ ^

_

o sz

o o

L L V

L O L





  , ahol V_o^sz az elméletileg keletkező száraz füstgáz térfogata.

Az LL_o* behelyettesítésével és



 

 

sz o

L V O

O *

% 21

1 %

2

2





A füstgáz CO2 koncentrációja





száraz összes

CO  V^CO

Korábban már felírtuk a keletkező CO2 térfogatát:

C

CO m

V *

12 41 , 22

2 

Így a CO2 koncentráció:

 

) (

12 * 41 , 22

2%

o sz

o

C

L L V

m

CO    ,

Ha bevezetjük a _sz

o C

V m CO

12 * 41 , 22

max

2  fogalmát és LL_o* -t behelyettesítjük,



   

 

sz o

L V CO

CO

CO *

%

% 1 %

2 2 max

2 





A [CO2max] értéke tulajdonképpen a füstgáz elméleti maximális CO2-koncentrációja, amely a gyakorlatban nem érhető el. Akkor lenne elérhető, ha sztöchiometrikus (elméleti) mennyiségű levegővel tüzelve a tüzelőanyag teljes karbon tartalma a füstgázban CO2 formában távozna.

Ha a fenti képleteket egy olyan tüzelőanyagra alkalmazzuk, amelyre mC = 0,85 és mH = 0,15, a füstgáz elméleti oxigén- és szén-dioxid koncentrációjára az 1.2.1. ábra szerinti összefüggést kapjuk:

1.2.1. ábra A füstgáz elméleti oxigén- és szén-dioxid-koncentrációja

Az ábrából látható, hogy ha λ tart a végtelenbe (azaz végtelen nagy a légfelesleg), a füstgázban az oxigén koncentrációja tart a 21 %-hoz, a szén-dioxid koncentrációja pedig a nullához. Természetesen a diagram csak elméletileg mutatja be a koncentrációk alakulását. Növelve a légfelesleget, valamennyi tüzelőanyagra létezik egy olyan légfelesleg érték (alsó robbanási határ, ld. később) amelynél az

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 1 2 3 4 5 6

térfogat %

lambda

O2 konc CO2 konc

égéstérben már annyira lecsökken a tüzelőanyag aránya, hogy nem lesz meggyújtható. Az ábráról a [CO2max] értéke is leolvasható az adott tüzelőanyagra: a CO2 koncentrációja az 1-es légviszony értéknél.

Az égés folyamata

Az égéshez éghető anyagra, égéstápláló közegre és a gyulladási hőmérséklet elérésére van szükség.

Az égéstápláló közeg majdnem kivétel nélkül oxigén, amelyet a levegőből nyernek. A tüzelőanyagok égése két szakaszból áll: gyulladásból és a tulajdonképpeni égésből. A tüzelőszerkezetben az elégetésre szánt tüzelőanyagot először a gyulladási hőmérsékletre kell hevíteni. Az ehhez szükséges időtartamot gyulladási késedelemnek nevezik. Szilárd tüzelőanyagból, pl. kőszénből az égésnek ebben a szakaszában távoznak el az illó alkatrészek és a nedvességtartalom. A kőszén száradása és kokszolódása (ld. később) közben a beadagolt levegő, valamint az illórészek és a koksz felmelegszenek a gyulladási hőmérsékletre. Gyulladási hőmérsékletnek azt a legkisebb hőmérsékletet nevezik, amelyen az előzetesen valamilyen módon felhevített anyag levegővel érintkezve, magától meggyullad. A legfontosabb tüzelőanyagok gyulladási hőmérsékletét az 1.2.2. táblázat tartalmazza. A nagy gyulladási hőmérsékletű anyagokat kisebb gyulladási hőmérsékletű anyagokkal lehet meggyújtani.

Tüzelőanyag Gyulladási hőmérséklet [°C]

Fa 300

Cellulóz 360

Tőzeg (légszáraz) 280

Fiatalabb barnakőszén 250-300

Idősebb barnakőszén 400

Feketekőszén 400-500

Koksz 600-750

Antracit 540

Grafit 800

Gázolaj 350

Bután 650-750

Hidrogén 560-650

1.2.2. táblázat Tüzelőanyagok átlagos gyulladási hőmérséklete.

A tüzelőanyagok túlnyomó része gáz- és gőz állapotú vegyületeket ad le magából az égés folyamán.

Ha az éghető gázokat levegővel vagy oxigénnel keverve zárt térben melegítjük, akkor a gyulladási hőmérsékleten oxidációs reakció indul meg, amelyet a felszabaduló reakcióhő gyorsan robbanásig fokoz. Ha a gázt nyitott csövön áramoltatjuk ki, akkor az egyesülés még mindig nagy sebességgel, de már nem az explózió sebességével terjed. Az égésnél biztosítani kell, hogy a levegőt az égés sebességének megfelelő ütemben vezessük oda, és az égési folyamat közben keletkező égéstermékeket a tüzelőanyag felületéről kellő gyorsasággal távolítsuk el, ezáltal is biztosítva, hogy a friss levegő minél intenzívebben érintkezhessék a tüzelőanyag felületével. A levegőszükségletnek általában csak egy részét juttatják a tüzelőanyaggal együtt a tüzelőberendezésbe. Ez a primer levegő. Másik részét, a szekunder levegőt a tűztérbe fúvatják be csekély túlnyomással. Utóbbi a tűztérben levő még elégetlen gázok keveredését és ez által is a tökéletes elégés lehetőségét biztosítja. Előnyös a szekunder levegőt előmelegítve befúvatni.

Az égés gyökös mechanizmusú láncreakció, azaz a reakció lejátszódása során (párosítatlan elektront tartalmazó) reakcióképes kémiai gyökök játszanak fontos szerepet.

Gázok elégetésének legegyszerűbb módja a gázt világítógáz alakjában elégetni. Ez esetben a meggyújtás után az égéshez szükséges levegőt a környezettől szívja el a láng. A lángban először pirogén disszociáció következik be, majd szén-monoxid és hidrogén keletkezik, ezek végül szén-dioxiddá és vízgőzzé égnek el. Ha a gáz csekély hidrogéntartalmú vegyületek gőzeit is tartalmazza, akkor a hidrogén nagy égési sebessége miatt a szén korom alakjában válik ki a lángban, a láng kormozva ég. Ha primer levegőt kevernek a gázhoz ezek a folyamatok gyorsabban játszódnak le, így egységnyi idő alatt nagyobb hőmennyiség szabadul fel és nagyobb hőmérsékletű lesz a láng. Ha a gázkeverék kiáramlási sebessége nagyobb lesz, mint az égési sebesség, akkor a láng „leszakad” az égő csövéről.

Folyadékok égésekor a folyadék előgőzölög és gőzei úgy égnek tovább, mint a gázok. A nagy szénatomszámú szénhidrogének gőzei a hevítés hatására láncreakciókban bomlanak le, majd, mint egyszerű gázok, instabil atomcsoportok, és mint szabad elemi szén égnek el. Éghető folyadékok gyúláshőmérséklete szorosan összefügg a gőznyomásukkal. Az olajok folyamatos eltüzelése elsősorban szénhidrogén alkotóik elpárolgási sebességétől, továbbá attól a sebességtől függ, amellyel a gázhalmazállapotúvá lett szénhidrogén-molekulák lebomlanak. Minél bonyolultabb szerkezetűek a szénhidrogén molekulái és minél nagyobb szénatomszámúak, annál vontatottabb az elégésük.

A szilárd tüzelőanyagoknak tüzeléstechnikai szempontból két fajtáját különböztetjük meg:

olyanokat, amelyekben alig van hidrogén és oxigén, tehát gyakorlatilag nem adnak hőhatásra illékony vegyületeket, és olyanokat, amelyekből hevítés folyamán nagyobb mennyiségű gáz távozik el. Míg a gázok és folyadékok égése homogén folyamat, az illanó vegyületeket nem adó, koksz-szerű szeneké heterogén reakció. A szilárd szenek felületén lejátszódó reakciók sebességét többféle részfolyamat befolyásolja: Az oxigén adszorpciója, az adszorbeált gáz egyesülése a szén-atomrács alkotóival, a rács fellazulása, végül az égéstermékek eltávozása.

Az égéstermékek

Az égés során füstgáz és szilárd tüzelőanyag esetén salak (hamu) is keletkezik. A tüzelőanyag nem éghető részei képezik a hamut. A hamu alkotórészei: szilícium-dioxid, alumínium-oxid, vas-oxid, kalcium-oxid, magnézium-oxid. A könnyen olvadó hamu hátránya, hogy a kazánban salakosodást okoz, az olvadt hamu rárakódik, rásül a rostélyra, illetve kazáncsövekre. A salakosodást nemcsak a salak olvadáspontja, hanem a kazán kialakításának és üzemeltetésének számos körülménye is befolyásolja. A salak el nem égett tüzelőanyagot is szokott tartalmazni, amelyet a salak tömegszázalékában, mint ún.

salak-éghetőt adnak meg.

A füstgázba a tüzelőanyag éghető alkotórészeinek égéstermékei, valamint a levegőből származó nitrogén és levegőfelesleg alkalmazása esetén oxigén is kerül. Ha tökéletes volt az égés, akkor égéstermékként szén-dioxid, vízgőz és kén-dioxid van jelen a füstgázokban. Tökéletlen égéskor a füstgáz szén-monoxidot, szén-hidrogéneket, esetenként hidrogént is tartalmaz. Főleg porszéntüzelés esetén nagy mennyiségű pernye is van a füstgázban, ennek eltávolítása mechanikus és elektrosztatikus porleválasztóban történik. A tökéletlen elégéskor keletkező korom fekete füstöt képez. Jó tüzelés esetén nem képződik kormos füst. A füstölés mértékének meghatározására mérőmódszereket dolgoztak ki (Ringelmann-skála, Bacharach-skála), amivel ellenőrzik a kéményből távozó füst koromtartalmát. Nagy tűztérhőmérséklet esetén (pl. a belsőégésű motorokban) a levegő nitrogénje is oxidálódik, különböző összetételű nitrogén-oxidokat (főleg nitrogén-monoxidot, kisebb mértékben nitrogén-dioxidot, együttesen NOx-et) adva.

A szén-dioxid ugyan nem mérgező, de az üvegházhatás fő okozója. Az üvegházhatást az okozza, hogy a földi légkörben bizonyos gázok, a CO2, az egyéb ipari és mezőgazdasági tevékenységekből származó metán, dinitrogén-oxid és freonok (klórozott, fluorozott szénhidrogének) mennyisége megnövekedett. Emiatt ezek a gázok a Földről távozó, a bejövőnél kisebb energiájú, nagyobb hullámhosszúságú sugárzást visszatartják, s ezáltal globális felmelegedést, beláthatatlan következményekkel járó éghajlatváltozást okoznak. Bár a metán, a dinitrogén-oxid és a freonok relatív üvegház-hatékonysága a szén-dioxidhoz képest 21-szeres, 270-szeres, illetve több ezerszeres, a nagy mennyisége miatt a szén-dioxid hozzájárulása a globális felmelegedéshez a legnagyobb (50-60%). A szén-monoxid igen erős méreg, a vér hemoglobinjához az oxigénnél mintegy 300-szor erősebben kötődik, így az oxigént a vérből kiszorítva megakadályozza a sejtek oxigén-ellátását. Viszonylag kis

mennyiségű szén-monoxidot tartalmazó levegőt hosszabb ideig belélegezve, a vérben található hemoglobin egyre nagyobb arányban válik oxigén szállítására alkalmatlanná, s ezzel akár halált is okozhat. A nitrogén-oxidok a tüdőt roncsolják, valamint a légkörben található vízzel egyesülve savas esőt okoznak. A nitrogén-monoxidból (NO) közönséges hőmérsékleten a levegő oxigénjével azonnal vörösbarna színű nitrogén-dioxid (NO2) keletkezik. Párosítatlan elektront tartalmaz, reakcióképes. A nitrogén-dioxid vörösesbarna színű, szúrós szagú, mérgező gáz, vízben jól oldódik. A kén-dioxid (SO2) színtelen, szúrós szagú gáz, igen erős méreg, a tüdőt roncsolja, savas esőt okoz. A szilárd részecskék nagy része rákot okoz.

A tüzelési veszteségek

Részben az égés során, részben a tüzelőszerkezetben különböző veszteségek lépnek fel. A tüzelés kialakításakor és a berendezések üzemeltetésekor ezért gondosan ügyelni kell a veszteségek csökkentésére, és ez által a felesleges tüzelőanyag-fogyasztás kiküszöbölésére.

Tüzeléskor a tökéletlen égés következtében a tüzelőanyagok teljes kémiai energiája nem nyerhető ki hasznosítható hő alakjában. Ez az ún. elégetlen-veszteség, azaz a fel sem szabadított hő. A tökéletlen égés csökkenthető a megfelelő levegőfelesleg alkalmazásával és a jó keveredés biztosításával. Az égéstermékekkel együtt távozó korom, pernyeéghető és elégetlen gázok is veszteséget jelentenek. A tüzelőberendezések működésének ellenőrzésére többek között a füstgáz (vagy kipufogógáz) összetételét is vizsgálják. A füstgázelemzés lehetőséget biztosít az el nem égett tüzelőanyag mennyiségének megállapítására és — amint az előzőekben bemutattuk — a légfeleslegtényező illetve a légviszony meghatározására.

Az égéstermékek nem hűthetők le a környezet hőmérsékletére, annál nagyobb hőmérsékleten távoznak el a tüzelőberendezésből, amely jelentős veszteséget okozhat. Ez az ún. füstgázveszteség a füstgázok hőkapacitásával (tehát fajhőjével és mennyiségével) arányos. Ezért a szükségesnél nagyobb levegőfelesleg növeli a füstgázveszteséget, tehát rontja a tüzelés hatásfokát. A tüzelőberendezés annál gazdaságosabban működik, minél kisebb hőmérsékleten távoznak a füstgázok. A nagyobb mérvű lehűtésnek azonban több akadálya lehet. A kémény huzata a hideg és a meleg gázok sűrűségkülönbsége következtében fellépő felhajtóerőből adódik. Ha tehát a füstgáz nem elég melegen távozik, még kis kazánoknál sem megfelelő a kémény huzata, ezért szívóventilátorokat használnak. (Nagyobb kazánokhoz a kazán belső ellenállása miatt ventilátorokra mindenképpen szükség van.) A füstgáznak erősebb lehűtése azzal a veszéllyel is jár, hogy a vízgőztartalom kondenzálódik, és a cseppfolyósodott vízben a szén-dioxid, de főleg a kén-dioxid és az esetleg keletkező kén-trioxid oldódva nagyobb korróziót okozhat a kazán és a kémény hidegebb részein.

A füstgázok hőtartalma a kazánokban a hőfejlesztés mellett a levegő előmelegítésére is használható.

A levegő, (és gáz-tüzelés esetén a gáz) előmelegítése regeneratív és rekuperatív módon lehetséges. A regeneratív hőcserélőben szakaszosan, azonos térben, de különböző időben játszódik le az előmelegítés, illetve hőhasznosítás, a rekuperatív módszerrel folyamatosan, külön térben, de egyidejűleg megy végbe.

Regeneratív előmelegítéskor a tüzelőberendezésből távozó forró füstgázokat tűzálló téglabéléssel kirakott kamrákon áramoltatják keresztül. A kamrában rácsszerűen elhelyezett téglák a forró gáz hatására az izzás hőmérsékletére hevülnek. Ekkor a forró füstgázokat más kamrákon vezetik át, az izzó kamrákon pedig a fűtőgázt és a levegőt áramoltatják keresztül. Ezek itt felmelegszenek, a regenerátorkamra pedig fokozatosan lehűl. Amikor a hőmérséklete egy bizonyos értékig csökkent, ismét átváltják a gázok útját és a frissen felhevített kamrákon áramoltatják át a gázt és a levegőt, a forró füstgázokkal pedig a lehűlt generátort hevítik fel újból. Elterjedtebb nagyobb kazánokban a forgó regenerátor, ahol a hevítendő és a hevített közeg között a hőcsere olyan forgó hengeres kamrában történik, amely meggátolja a közegek közvetlen keveredését. Rekuperatív hőcseréléskor a felmelegítendő gázokat olyan csöveken vagy lemeztáskákon áramoltatják keresztül, amelyeket kívülről a berendezésből távozó forró füstgázokkal fűtenek.

A tüzelőszerkezet hőmérséklete nagyobb, mint a környezeté, ennek következtében a berendezés sugárzás és vezetés útján hőt ad le a környezetnek. A kisugárzott hőmennyiség függ a hőátadási tényezőtől, továbbá a hőátadó felület nagyságától és hőmérsékletétől. A kazánnagyság növelésével, valamint a szigetelés javításával a sugárzási veszteség csökkenthető.

Robbanóelegyek

Ha gyulladás után az oxidáció lassú, égésről (0,3-3 m/s lineáris égési sebesség), ha gyors, akkor robbanásról (1-3 km/s robbanási sebesség) beszélünk. Ha éghető gázt vagy gőzt bizonyos arányokban levegővel elegyítünk, az elegy meggyújtásakor robbanás következik be. Ezért lényeges az úgynevezett robbanóelegyek összetételét ismerni.

Ha levegőhöz kis mennyiségben fokozatosan éghető gázt vagy gőzt keverünk, elérünk egy olyan összetételt, amelynél az elegy éppen robbanékonnyá válik. Az éghető gáznak vagy gőznek a koncentrációja ebben az elegyben az alsó robbanási határ. Ha a koncentrációt fokozatosan tovább növeljük, elérjük azt az összetételt, amelynél az elegy már ismét nem robbanóképes, ez a felső robbanási határ. Csak a két robbanási határ közötti összetételű, és gyulladási hőmérsékletre felhevített gázelegy gyújtható meg. Néhány éghető gáz és gőz robbanási határát az 1.2.3. táblázat tartalmazza.

Gáz Alsó robbanási határ,

tf.% Felső robbanási határ, tf.%

Hidrogén 4,1 74,0

Szén-monoxid 12,5 74,0

Metán 4,3 14,0

Etán 3,2 12,5

Propán 2,4 9,5

n-Bután 1,6 8,5

n-Heptán 1,1 6,0

n-Oktán 1,0 5,3

Benzin 1,2 7,0

Etilén 3,0 29,0

Acetilén 2,5 80,0

Etil-alkohol 4,3 20,0

1.2.3 táblázat Gázok és gőzök robbanási határai levegővel légköri nyomáson

Feladat: a táblázatban szereplő valamely vegyületre számoljuk ki, hogy az alsó és felső robbanási határ milyen λ értéknél van? (Az alsó robbanási határnál λ>1, a felső robbanási határnál λ<1.)

Szilárd tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei

Az e csoportba tartozó tüzelőszerkezetek két fő típusa ismeretes: rostélyos tüzelőszerkezetek és rostély nélküli tüzelőszerkezetek.

Sok tüzelőszerkezetben a felmelegítendő anyag hevítése az égéstermékkel történik (lángkemence), a sugárzó hő rendszerint rostély nélküli tüzeléskor válik elsőrendűvé. Ha az égéstermékek közvetlenül érintkeznek a felhevítendő anyaggal, belső tüzelésű lángkemencéről beszélünk (téglaégető, ércolvasztó, pörkölő). Ha az égéstermékek falon át fűtik az anyagot, a szerkezetek külső fűtésű tokos kemencének nevezik (ilyenek elvileg pl. a kazánok is). A rostély feladata részben az izzó tüzelőanyag hordása, a salaktértől való elválasztása, másrészt az égéshez szükséges levegő egyenletes szétosztása a tüzelőanyagban. A használatos rostélyok között megkülönböztetnek sík-, lépcsős- és ferderostélyt, amelyek lehetnek álló vagy mozgó szerkezetűek. A vándorrostélyú tüzelőszerkezetekben a lánc- vagy vándorrostély végtelen láncot képez, amelyet két lánckerék mozgat. A tűztérbe kerülő szén fokozatosan felmelegszik, kokszolódik és végül elég. A lánc végéről a salak folyamatosan távolítható el. A berendezés teljesítménye könnyen változtatható, az egész szerkezet nagymértékben mechanizált.

Alkalmazása elsősorban nagy hamutartalmú és kisebb olvadáspontú hamut eredményező szenek esetében előnyös.

Rostély nélküli tüzelés a szénportüzelés, amelynek két alapvető módja a granuláló és salakolvasztós módszer. Előbbinél a szenet a hamu olvadáspontjánál kisebb hőmérsékleten tüzelik el, így a hamutartalom szállópernyeként távozik, ill. részben a tűztér alján salakként marad vissza. Az utóbbinál a hamut olvadáspontja feletti hőmérsékleten megolvasztják, s így visszatartható a megolvadt állapotú salak. A szénportüzeléshez a szenet finom porrá őrlik (közben szárad is), megfelelő égő segítségével befúvatják a tüzelőberendezésbe, és itt lebegő állapotban játszódik le a lepárlási folyamat, majd a szénszemcsék elégése. A szénpor nagy fajlagos felülete miatt gyorsan és jól keveredik a levegővel és jó hatásfokkal ég el. A berendezés könnyebben szabályozható, mint a rostélytüzelésé. Ezen előnyök mellett azonban nem hagyhatók figyelmen kívül a szén előkészítésének (szárítás, őrlés stb.) költségei.

Cseppfolyós tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei

Cseppfolyós tüzelőanyagokként főleg kőolajtermékeket, esetleg szénlepárlási termékeket (kátránypárlatokat) használnak. Közülük a legjelentősebb a tüzelőolaj, amely kőolajpárlat, továbbá a fűtőolaj, amely a kőolaj atmoszferikus desztillációjának maradványa (pakura).

A cseppfolyós tüzelőanyagoknak számos előnyük van a szilárd tüzelőanyagokkal szemben.

Hamutartalmuk rendszerint egészen jelentéktelen, és így eltüzelésük során gyakorlatilag csak gáz halmazállapotú égéstermékek keletkeznek. A tüzelés igen jó hatásfokkal végezhető el. Aránylag kevés felfűtési időre van szükség és igen nagy tüzelési hőmérséklet érhető el; a cseppfolyós tüzelőanyagoknak ugyanis nagy a fűtőértékük (kb. 42000 kJ/kg) és kisebb levegőfelesleggel éghetők el, mint a kőszenek.

A folyékony tüzelőanyagok égése könnyen szabályozható folyamat. A felhasznált tüzelőanyag minősége sokkal egyenletesebb lehet, mint az egyes kőszénféleségeknél, továbbá a tárolás és szállítás is lényegesen egyszerűbb feladat. Az említett előnyökből következik még az is, hogy a berendezések nagymértékben automatizálhatók, és így az olajtüzelés sokkal korszerűbb és termelékenyebb, mint a szilárd tüzelőanyagokkal való tüzelés. A cseppfolyós tüzelőanyagok elégetésére használt égőket aszerint csoportosítják, hogy az olajat hogyan készítik elő az eltüzeléshez. Megkülönböztetnek elgázosítással és porlasztással működő égőket.

Elgázosító égők. Ezen égőtípus elve, hogy a kőolajpárlat egy forró felülettel érintkezve elpárolog, majd a képződött gőzök az égéshez szükséges levegővel elegyednek, és ezt követően elégnek. Csak olyan desztillált olajokat égethetnek el ezzel a módszerrel, amelyeknek a kokszosodási hajlama kicsi. A fűtőolajból ugyanis bomlás, vagy nem teljesen tökéletes elpárolgás következtében kokszlerakódások keletkeznek az elgázosító felületen vagy annak közelében, ahol elégni nem tudnak, és így üzemzavarokat okozhatnak.

Porlasztós égők. Elporlasztás esetén az égőkben a fűtőolajok (pakura) is eltüzelhetők. A kőolajtermék itt először finom eloszlású köddé alakul, majd a levegővel elegyedik, és így az esetleg kiváló elemi szén is lebegő állapotban könnyen el tud égni. A fűtőolajokat nagy viszkozitásuk miatt elő kell melegíteni, s csak így porlaszthatók, illetve tüzelhetők el.

A porlasztókat nyomásos, segédközeges és mechanikus csoportokra oszthatjuk. A segédközeges porlasztók segédközege levegő vagy vízgőz.

Gáz halmazállapotú tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei

A különféle halmazállapotú tüzelőanyagok közül legelőnyösebben a gázok tüzelhetők el. A földgáz mellett régen generátorgázt, vízgázt, szénlepárlási gázokat (ld. később), illetve ezek különböző elegyeit használták fel tüzelésre.

A gáztüzelés egyik legfőbb előnye, hogy könnyen és gyorsan szabályozható, így nagyfokú automatizálásra van lehetőség. Minthogy a gáz tökéletesen elegyíthető az égéshez szükséges levegővel, a teljes elégés biztosításához csak csekély (10 % alatti) levegőfelesleget kell alkalmazni. Míg az egyéb tüzelőberendezések üzemeltetésekor igen sok szempontra kell tekintettel lenni, a gázégőknél a tüzelés igen egyszerűen, a gáz és a levegő mennyiségének változtatásával szabályozható, és a tüzelés kevesebb személyzetet igényel. További számos előnye közül megemlítendő, hogy a gáz fűtőértéke egyenletes, a földgáznál nagy is, így nagyobb lánghőmérséklet érhető el vele. Tisztább és egyszerűbb a tüzelés (nincs hamu, pernye), a szállítás könnyebb és veszteségmentes, tárolásra nincs szükség, a tüzelőszerkezet kisebb helyet igényel.

A gázok elégetésekor is a primer levegőt előzetesen keverik hozzá, míg a tökéletes égéshez szükséges levegő mennyiséget – a szekunder levegőt – a láng környezetében levő levegő szolgáltatja. Ha a primer levegő mennyiségét növelik, bizonyos mennyiség felett a láng leszakad, vagy visszaég. Ha a primer levegő mennyiségét csökkentik, elérnek egy határt, amely alatt a láng színessé válik, tovább csökkentve pedig egyre világítóbb és kormozóbb lángot kapnak a hőbomláskor keletkező finoman elosztott szénszemcsék következtében.

1.2.2. A kőszén

A kőszén korábban nagyobb szerepet játszott fosszilis energiahordozó. Főként azért tárgyaljuk, mert készletei a kőolajhoz és földgázhoz képest sokkal nagyobbak, így felhasználása újra előtérbe kerülhet, ha a környezetvédelmi problémákat sikerül megoldani, illetve a gazdaságosság szempontjából is javul.

Az ún. szénülés folyamatában keletkezett, az elmúlt geológiai korszakok lápnövényzetének maradványai a felszín alá süllyedtek, fedőréteg került rájuk, és kémiai átalakuláson mentek keresztül. A szénülés szakaszai:

tőzeg→barnaszén→feketeszén→antracit→grafit biokémiai geokémiai metamorfózis

szakasz szakasz

A szénülés során oxigén-tartalmú csoportok, alifás láncok, CO2, CH4, H2 szakad le, a karbon-tartalom növekszik, a hidrogén-, oxigén- és víztartalom csökken. A barnaszén átlagos móltömege kb. 1400, a feketeszéné 3000 – 100000 közötti. A geokémiai szakasz összetétel-változását ld. az 1.2.4. táblázatban.

Az táblázatban a kén- és a nitrogéntartalom nem szerepel. Előbbi 0,5-5%, utóbbi 1-2%.

Széntípus Nedvesség %

Nedvesség- és hamumentes állapotra

számított Égéshő

[MJ/kg]

Illórész

% Karbon % Hidrogén

%

Oxigén

%

Lágy barnaszén 50-65 50-60 65-70 5-8 18-37 24-27

Kemény barnaszén Fényes barnaszén Lángszén

Gázlángszén Gázszén Zsírszén Kovácsszén Sovány szén

Antracit <1,0 <12 >91,5 <3,75 <2,5 35-34 1.2.4. táblázat Barna- feketekőszenek nedvessége, illórésze, elemi összetétele és égéshője A kőszén szerkezet egy lehetséges modelljét mutatja be az 1.2.2. ábra. Látható, hogy főként többszörösen kondenzált aromás csoportok építik fel. A nyilak a hevítés hatására elszakadó kötéseket mutatják. A kőszén ásványi alkotói, pl. pirit (FeS2), mészkő (CaCO3), dolomit (CaMg(CO3)2), FeCO3, agyagásványok, gipsz, kvarc, stb. égetéskor hamut adnak.

A kőszenet külszíni fejtéseken nyerik (pl. Magyarországon Visontán), vagy mélyművelésű bányákból hozzák felszínre. Előbbiek olcsóbbak, de a bánya bezárása után nagy költség a rekultiválás.

Utóbbiakban gyakori a karsztvíz-betörés, a (szénülés során keletkező metán okozta) sújtólég-robbanás.

A szenet a felhasználás előtt elő kell készíteni. Ennek egyik művelete a dúsítás, amikor a nem éghető ásványi anyagok mennyiségét, az ún. meddőtartalmat csökkentik. Ennek módja az ülepítés és a flotálás.

Az ülepítésnél azt használják ki, hogy a meddő nagyobb sűrűségű, utóbbinál pedig ezt, hogy a szénszemcse hidrofób a meddő pedig hidrofil. A további előkészítő művelet a szárítás és a brikettezés, amikor a porszenet kötőanyaggal (pl. szurokkal, ld. később) vagy a nélkül (nyomással) darabosítják.

1.2.2. ábra. Kőszén szerkezeti modellje

A kőszén tüzelőanyagként történő közvetlen felhasználása egyre jobban visszaszorul, mert a szén fűtőértéke a tüzelő és fűtőolajhoz képest kisebb (5000 – 25000 kJ/kg), hamutartalma, víztartalma, kéntartalma jelentős lehet, a bányászata, szállítása drágább, az égetés nehezebben automatizálható, kisebb hatásfokú, az égetés jelentős környezetszennyezéssel jár. A kén-dioxid tartalom eltávolítható ugyan a füstgázból, pl. meszes (Ca(OH)2-os) mosón történő elnyeletéssel, de hatalmas a beruházási költség, nagy mennyiségű gipsz (CaSO4) keletkezik. Emellett széntüzeléskor jelentős a pernye és por- kibocsátás, (amelynek leválasztása szintén jelentős költséggel jár), valamint a NOx kibocsátás.

A széntüzelésről a szilárd tüzelőanyagok tüzelőszerkezetei c. részben már szóltunk. A szénportüzelés egy speciális megvalósítása az örvényágyas tüzelés, amelynél a tüzelőanyagot a tűztérben lebegésben tartva égetik el, és a kazánba mészkövet is juttatnak, amelynek a bomlásakor keletkező CaO a szén kéntartalmából keletkező kén-dioxidot megköti.

Szénfeldolgozás

Szénlepárlás vagy kigázosítás (kokszolás)

A kőszén felhasználásának ma sem nélkülözhető módja, amelynek termékeként a nyersvas- gyártáshoz szükséges kohászati koksz állítható elő. Ekkor a kőszenet levegőtől elzárt térben mintegy 1250 ºC–ra hevítik.

A keletkező termékek:

 kamragáz

 kátrány

 gázvíz

 koksz

A kamragáz szén-monoxidot, hidrogént, metánt, szén-dioxidot, etánt, etilént, nitrogént, kén- hidrogént tartalmazó éghető gáz, régen városi gázként használták fel. Ma általában a kokszolóban hasznosítják. A kátrány és a gázvíz folyékony termékek. A kátrány sokféle vegyületet, főként

aromásokat tartalmaz. Desztillációval frakciókra bontják, a maradék a szurok. A párlatok fatelítésre vagy fűtőolajként hasznosíthatók, a szurok útépítésre, szigetelésre brikettezésre, vagy kokszosítva elektród-szénként hasznosítható. A gázvízből ammónia nyerhető, a benne levő szerves vegyületek (fenolok) miatt élővízbe tisztítatlanul nem engedhető.

A kigázosítás célterméke a koksz, amelyet a vaskohászatban vagy tüzelőanyagként hasznosítanak.

Fontos a kohókoksz nyomószilárdsága (a kohóban nem roppanhat össze), kis illó- és kén-tartalma, kis hamutartalma. Csak jó sülőképességű szenekből készíthető megfelelő szilárdságú kohókoksz.

A kigázosítást 8-10 m hosszú, 40-45 cm széles, 5-6 m magas, kívülről hevített kamrákban hajtják végre, 20-22 óra alatt. Hevítéskor a szén ~350°C -on megolvad, ez egységes szerkezetet biztosít, majd

~450°C -on újra megszilárdul. Hevítés után a keletkező kokszot a kamrából kitolják, vízzel hűtik. Ma Magyarországon Dunaújvárosban működik kokszoló.

Néha a lepárlást alacsonyabb, ~600 °C -os hőmérsékleten végzik. Ennek főterméke a kátrány. A keletkező ún félkoksz kohászati célra nem elég szilárd, fűtésre használható.

Szénelgázosítás

A kőszén feldolgozás másik klasszikus módszere a szénelgázosítás. Ennek célja lehet (a szilárd halmazállapotú kőszén helyett jobban hasznosítható) éghető gáz nyerése, vagy vegyipari szintézisekhez szintézisgáz (CO és H2 tartalmú gáz) előállítása. Az elgázosításkor az izzó állapotú szén reakcióba lép oxigénnel és vízgőzzel, az éghető gáz mellett salak keletkezik.

A fontosabb reakciók:

C + O2 = CO2 exoterm, ΔH = -406 kJ/mol C + CO2 ↔ 2 CO endoterm, ΔH = +160 kJ/mol C + H2O ↔ CO + H2 endoterm, ΔH = +118 kJ/mol C + 2 H2 ↔ CH4 exoterm, ΔH = -88 kJ/mol

A megfordítható kémiai reakciókban az egyensúlyok eltolhatók (ld. Le Chatelier elv), így a termék- összetételt az alkalmazott nyomás és hőmérséklet, valamint a betáplált anyagok összetétele befolyásolja.

A hőmérséklet növelése kedvez a vízgőz és CO2 bomlásának (az endoterm folyamatoknak), a nyomás növelése kedvez a CH4 képződésének (a térfogatcsökkenésnek) és gátolja a vízgőz és a CO2 bomlását.

A klasszikus gázgenerátorban a kőszenet felül adagolják, míg az oxigént és a vízgőzt alul. A felülről lefelé haladó kőszén először megszárad, majd az oxigénhiányos térben 400-800 °C-on lepárlás és az itt keletkezett félkoksz előmelegítése játszódik le. Ez alatt, az ún. reakciós zónában 800-1200 °C-on az izzó szén redukálja az alulról felfelé haladó szén-dioxidot, illetve még lejjebb, 1200-1500 °C-on történik a szén égése. A keletkező salak alul távolítható el, a ganarátorgáz pedig felül.

Korábban az elgázosítás fő célja éghető gáz nyerése volt, ma csak néhány országban, szinte kizárólag szintézisgáz előállítására használják. A szintézisgáz ma ugyanis olcsóbban nyerhető földgázból. Az elgázosítás azonban a szén eltüzelését megelőzheti, s az így nyert gázhalmazállapotú tüzelőanyagból a kén-dioxid könnyen eltávolítható. Ilyen korszerű, kombinált szénerőművet mutat be az 1.2.3. ábra.

1.2.3. ábra. Egyesített szénelgázosításos kombinált ciklus (IGCC).

A szénalapú erőművek szennyezőanyag-kibocsátása a technológia függvénye. Ezt mutatja be az 1.2.5.táblázat, 3,5 tömeg % kéntartalmú szenet feltételezve.

Energiatermelési mód

Évi emisszió (t/MW teljesítmény)

SO2 NOx

Évi szilárd hulladék (t/MW teljesítmény) Szénportüzelés +

füstgázkéntelenítés 14 8 750

Örvényágyas széntüzelés

(atmoszférikus nyomáson) 7 4 1200 Szénelgázosítással kapcsolt

kombinált ciklus 4 3 300

1.2.5. táblázat Szénalapú erőművek emissziói és szilárd hulladék mennyiségei Széncseppfolyósítás

A kőszén cseppfolyósításának célja motorhajtó anyagok, szénhidrogének előállítása. Egyes nyersanyagok és termékek H/C atomarányát és átlagos molekuláris tömegét az 1.2.6. táblázat (ld. az 1.2.3. fejezetben) mutatja be. A táblázat áttekintése alapján megállapítható, hogy a kőszén cseppfolyósításához a molekulákat tördelni, és hidrogén tartalmukat növelni kell. A cseppfolyósítást direkt vagy indirekt módon lehet megvalósítani.

 direkt cseppfolyósítás

A kőszenet megőrlik, olajjal sűrű péppé alakítják, majd kb. 500 ºC–on, 300 – 700 bar hidrogén nyomáson 1-2% Fe2O3 katalizátor jelenlétében kezelik. (Ez a katalizátor nem használható újra.) Mintegy 100 tömegrész szénből és 2-6 tömegrész hidrogénből 70 tömegrész (a benzin és a gázolaj forráspontjának megfelelő forráspontú) folyadék, valamint gáz nyerhető. Az eljárás a számos technikai nehézség ellenére már a két világháború között megvalósult, de ma sehol sem alkalmazzák, mert nem gazdaságos. A keletkező benzin rossz oktánszámú, (de jobb, mint az indirekt cseppfolyósításnál), a gázolaj azonban jó cetánszámú (az oktánszám és cetánszám definícióját ld. később). A technológiai nehézségeket a termékelválasztás, a nagy nyomás, a szénpor koptató hatása és a H2 reakciója az acél C tartalmával okozza.

 indirekt cseppfolyósítás

A kőszenet először elgázosítják, majd a szintézisgázból az ún. Fischer-Tropsch szintézissel szénhidrogéneket nyernek.

A Fischer - Tropsch szintézis, az n (2 H2 + CO) → (-CH2-)n +n H2O

reakció révén, kb. 200 ºC hőmérsékleten, Co, Fe katalizátoron különböző szénhidrogéneket eredményez. (Ezeket jelöli a reakcióegyenletben a (-CH2-)n.)

A keletkező termékek:

gázok (metán, etán, etilén) benzin frakció

gázolaj frakció szilárd parraffin.

A termék-összetétel szabályozható a gázkeverék komponenseinek arányával, a katalizátorral, a nyomással. Dél-Afrikában működött ilyen üzem, létesítésének oka a korábbi apartheid politika miatti kőolaj embargó volt.

A szintézisgázból metanol is előállítható a

2 H2 + CO → CH3-OH reakcióegyenlet szerint, 250-350 bar nyomáson, 300-400 °C -on Cr- oxid katalizátor, vagy 40-100 bar-on, 200-220°C -on Cu tartalmú katalizátor jelenlétében.

Az így nyert metanol maga is felhasználható motorhajtó anyagként, illetve belőle a Mobil eljárással is előállíthatók szénhidrogének:

CH3OH CH3OCH3 olefinek olefinek, aromások + víz

Az első két folyamatban vízkilépés, az utolsóban polimerizáció, átrendeződés, gyűrűképződés (ciklizáció) játszódik le. A reakció 380-425 °C-on, speciális pórusméretű zeolit katalizátoron hajtható végre. A zeolit pórusmérete miatt a keletkező szénhidrogének szénatomszáma max. 10. Mivel a termék 44% szénhidrogént és 56% vizet tartalmaz, az eljárás drága.

Megjegyzendő, hogy szintézisgázt nemcsak a kőszénből nyerhetünk, metán (földgáz) vagy bármely szénhidrogén tartalmú elegy (pl. könnyűbenzin) is vízgőz jelenlétében, ~900ºC-on, Ni katalizátoron CO- t és H2-t tartalmazó gázeleggyé, szintézisgázzá alakítható. A szintézisgáz számos egyéb kémiai szintézis kiinduló anyaga lehet.